El Comité de Redacción de Acta Bioquímica Clínica Latinoamericana ha seleccionado y adaptado este artículo publicado en Ciencia Hoy (Volumen 14, Nº 84, diciembre 2004/enero 2005) para su difusión a través de FABA Informa

Julio Guimpel y Hernán Pastoriza
Instituto Balseiro y Centro Atómico Bariloche, Comisión Nacional de Energía Atómica

Tamaño y proximidad

Casi todas las propiedades de los materiales están controladas por alguna distancia característica. Por ejemplo: la conducción eléctrica está determinada por la distancia media que los electrones pueden recorrer antes de chocar con algo y desviar su trayectoria (camino libre medio). La penetración de campo magnético en un superconductor está determinada por una longitud típica del material superconductor y también por el camino libre medio. La realidad es que mientras las dimensiones del sistema permanezcan más grandes que la distancia característica de la propiedad en estudio, la física del problema no se modifica y está determinada por las propiedades intrínsecas del material. Pero si al menos una de las dimensiones del objeto es menor que la distancia característica entonces la respuesta del sistema dependerá no sólo de las propiedades del material sino también de su tamaño. Estos efectos ‘de tamaño’ presentan la atrayente posibilidad de controlar la respuesta del sistema, o al menos una parte de ésta, manipulando su geometría. Por ejemplo, si se deposita una película metálica (conductora) sobre una superficie aislante (no conductora), de espesor menor que el camino libre medio de los electrones, la resistividad eléctrica será más alta cuanto menor sea aquel pues la distancia máxima que pueden recorrer sin chocar será el espesor mismo.

Métodos de fabricación por deposición • Dentro de los métodos de deposición los más usuales son la evaporación y el sputtering. Ambos difieren básicamente en la manera en que se consigue preparar un “vapor” del material a ser depositado. En el método de evaporación simplemente se calienta el material a ser evaporado hasta que el mismo se funde. Si bien en la figura esto se ha representado pictóricamente con una llama, el método usual es calentar con una resistencia eléctrica. Al elevarse la temperatura del material los átomos se agitan cada vez más fuertemente alrededor de sus posiciones de equilibrio. • Debido a esta agitación, la probabilidad de que un átomo sea expelido aumenta con la temperatura. En el método de sputtering se hacen incidir iones, típicamente de Argón, sobre el material del que se quiere formar un vapor. Debido al impacto de estos iones, el impulso que tienen se transfiere a la red de átomos, y existe una probabilidad de que algunos de ellos sean expulsados. El efecto es parecido al que se obtiene al arrojar una pelota de fútbol a una pileta llena de pelotitas de ping-pong; algunas de las pelotitas son expulsadas hacia arriba. En la forma usual en que este método es usado en el laboratorio, una vez conseguido un buen vacío se dejan entrar al sistema unas pocas milésimas de Torr de gas Argón, se polariza el material a depositar con un voltaje negativo de algunos cientos de Volts. Esto acelera los iones positivos de Argón, o sea las pelotas de fútbol, hacia el material y arranca átomos, o sea las pelotitas de ping-pong, formando el vapor que después se condensa en el sustrato.

Pero los efectos de tamaño son sólo parte de los mecanismos de control que están a disposición del investigador o del tecnólogo. Supongamos que se depositan dos películas de materiales diferentes, una encima de la otra. Ahora las propiedades de una pueden afectar a la otra. Por ejemplo, si ambos materiales son conductores, los electrones de uno pueden atravesar la interfaz y modificar las propiedades del otro, y viceversa. Por ejemplo una película de cobre, que es un metal normal, en contacto con una de niobio, que es un superconductor, puede ser ‘inducida’ a ser superconductora por los electrones del niobio que penetran en ella. Simultáneamente la superconductividad del niobio es degradada por los electrones ‘normales’ del cobre. A este tipo de efectos se los denomina ‘de proximidad’.

Superredes

Una combinación de los efectos de tamaño y proximidad es lo que se utiliza en la fabricación y estudio de ‘superredes’ (o ‘multicapas’). Una superred es un compuesto artificial donde se depositan películas de dos o más materiales formando una estructura periódica. Las propiedades de este sistema dependen no sólo de las de ambos materiales sino también del espesor de las películas individuales y de la interacción entre ellas. Las superredes artificialmente diseñadas han sido un campo de investigación extremadamente activo durante las últimas décadas. Se han combinado materiales metálicos, aislantes y semiconductores. Se han fabricado sobre la base de materiales superconductores, magnéticos, ferroeléctricos, óxidos y otros. Básicamente se ha probado toda combinación en la que se pudo pensar obteniéndose, a veces, resultados sorprendentes tal como el caso de la magnetorresistencia gigante, en donde la resistencia eléctrica del material es órdenes de magnitud más dependiente del campo magnético que en cualquiera de los materiales originales.
¿Cómo se fabrica una superred? La respuesta comienza de una forma relativamente simple. Lo único que hace falta es ‘evaporar’ el material y condensar los vapores sobre la superficie donde se quiere formar la película, de una manera parecida a como la humedad se condensa en una ventana fría cuando se está hirviendo agua. Sin embargo, el proceso no es tan simple como este ejemplo. En primer lugar, la evaporación se debe realizar en alto vacío si se quiere tener control sobre la pureza del material depositado y que éste no reaccione con el oxígeno del aire, por ejemplo. El vacío mínimo necesario es el correspondiente a una presión de aproximadamente 10-7 Torr (1 Torr = 1 mmHg, milímetro de mercurio) o sea unas 10.000 millones de veces más pequeña que la presión atmosférica. En segundo lugar, las temperaturas necesarias para evaporar un material metálico son, salvo algunas excepciones, del orden de los 1.000 °C, muy superiores a las necesarias para evaporar agua. La forma usual de hacer esto es colocar el material a ser evaporado en una cazoleta o naveta de tungsteno (cuyo símbolo químico es W), a través de la cual se hace circular una corriente eléctrica que la calienta llevándola a la temperatura de fusión del material a depositar. Estas técnicas son en la actualidad de rutina en muchos laboratorios y permiten depositar películas de un espectro amplio de materiales. Los equipos para realizar esto se clasifican en ‘equipos de evaporación’ si el vacío es del orden de 10-7 a 10-8 Torr y en equipos de ‘epitaxia de haz molecular’ si el vacío es del orden de 10-11 a 10-10 Torr. El término epitaxia se refiere a que la estructura cristalina del material que se deposita está determinada por la estructura cristalina del sustrato, y el término haz molecular se refiere a que con presiones tan reducidas la deposición se puede realizar a velocidades extremadamente bajas y la deposición es molécula por molécula o átomo por átomo.

Sin embargo, no todos los problemas han sido resueltos. ¿Qué podemos hacer si el material que queremos depositar tiene una temperatura de fusión más alta que la del W? ¿Qué hacemos si el material no es un elemento sino un óxido y se descompone antes de fundirse? Para contestar la primera pregunta, existen otros métodos de calentamiento, tales como hacer incidir en el material a ser evaporado un haz de electrones de alta energía y fundirlo localmente. Para la segunda pregunta la respuesta no es simplemente cambiar el método de calentar. En este caso debemos cambiar la manera de arrancar átomos del material dado que ya no podemos hacerlo simplemente agitando el material por medio de la energía térmica. En este caso otro método posible es el conocido como erosión catódica o ‘sputtering’ (ver recuadro ‘Métodos de fabricación por deposición’). Por supuesto que existen muchos otros métodos de deposición o decrecimiento de películas que no hemos mencionado aquí. Los que hemos descripto pueden ser clasificados como ‘método físicos de deposición’ ya que involucran una transferencia de energía o impulso. Por otro lado existen ‘métodos químicos’ como la deposición por vapor químico (o CVD por sus siglas en inglés), donde una combinación de moléculas en estado gaseoso se hace reaccionar sobre la superficie a ser cubierta. Existen también métodos electroquímicos donde se hace crecer una capa de óxido en la superficie de una pieza de material, como aluminio por ejemplo. La lista de métodos es demasiado larga como para enumerarlos aquí.

¿Hemos fabricado lo que queríamos?

Esta pregunta, que a primera vista puede parecer ingenua, es el punto de partida de todo un campo de estudio que examina el ‘modo de crecimiento’. Así como a un nivel macroscópico un fluido puede ‘mojar’ una superficie y cubrirla homogéneamente, o no hacerlo y formar gotas, también a nivel microscópico sucede esto y el material depositado puede cubrir la superficie o formar ‘islas’ que después se funden en una capa continua pero con una estructura más desordenada. El experimentador no tiene control sobre este crecimiento ya que depende de las propiedades microscópicas de los materiales y de sus interacciones. Además, en el caso de crecer una superred, aparece el fenómeno de interdifusión, donde los átomos se mezclan a través de la interfaz y la misma termina no estando totalmente definida sino como una zona borrosa. Este tipo de efectos que a primera vista aparecen como problemas, son en buena medida los que transforman el campo de estudio en interesante, ya que permiten que no todo sea predecible y se encuentren efectos interesantes donde no se los esperaba.
Finalmente, en este camino hacia la fabricación de estructuras nanométricas tenemos que encontrar una manera de moldear las películas y superredes. Este paso es la base de la aplicación tecnológica de los films, ya que sin ello no pasarían de ser recubrimientos de superficies. Esta técnica se conoce como moldeado fotolitográfico, y se basa en la conocida técnica de litografía usada desde hace siglos en la producción de grabados artísticos. El método consiste en recubrir el film con un material fotosensible, conocido como fotorresina, y proyectar sobre él la forma geométrica que se le quiere dar al depósito. La fotorresina se impresiona de la misma manera que la película en una cámara fotográfica y, al revelarla con un químico adecuado, la parte expuesta es removida. De esta manera se ha dejado sobre la superficie una película plástica, moderadamente resistente a los ácidos, y de la forma geométrica que se necesita. El último paso es atacar con un ácido la película no cubierta para disolverla y, a continuación, limpiar la fotorresina. De esta forma se logran hacer motivos geométricos con una resolución en los detalles de un micrón, o milésima de milímetro. Este es el procedimiento usual utilizado ef la fabricación de ‘chips electrónicos’ o circuitos integrados, donde utilizando esta técnica o variantes de ella, y superponiendo muchas capas de películas de distintos materiales semiconductores y conductores, se logran introducir millones de componentes como transistores, resistencias, capacitores y otros en una superficie de pocos milímetros cuadrados.

¿Qué sucede si queremos hacer detalles menores aún, digamos de unos pocos nanómetros? En este caso la proyección de la imagen con luz falla pues la longitud de onda de la luz usada es, justamente, de unas centenas de nanómetros y los fenómenos de difracción dominan la formación de la imagen desdibujándola completamente. En este caso es necesario utilizar algo que tenga una longitud de onda menor aún. La mecánica cuántica nos enseña que toda partícula en movimiento tiene una longitud de onda asociada (ver el artículo de Fainstein y Hallberg en este número). Por ejemplo un electrón que fue acelerado en un campo eléctrico de 30.000 Volts posee una longitud de onda de algunos picometros, es decir una billonésima parte de un metro. Entonces, utilizando electrones para ‘sensibilizar’ la resina que colocamos para proteger la película a estructurar, no estaríamos limitados por fenómenos de difracción como en el caso de la utilización de luz, y como consecuencia podemos tener una mayor definición. Esta técnica se denomina litografía electrónica.
Por otro lado, al ser los electrones particulas con carga eléctrica podemos controlar no sólo su longitud de onda por medio del voltaje de aceleración, sino también su dirección. Así, de manera equivalente al funcionamiento de los tubos de rayos catódicos de un monitor, es posible controlar con extremada precisión el lugar de incidencia del haz de electrones. Este es también el principio de funcionamiento de un microscopio electrónico de barrido. En estos instrumentos, un fino haz de electrones recorre regularmente una muestra. Los electrones reflejados construyen la imagen del objeto. En la litografía, adaptando estos microscopios, se utiliza el mismo haz para ‘dibujar’ el patrón deseado. Los pasos posteriores son equivalentes y ya fueron descriptos: revelado, deposición y remoción de la resina residual.
Si bien es tentador pensar que, ya que no existe la limitación del límite de difracción, con esta técnica sería posible definir estructuras sub-nanométricas, otros fenómenos asociados con la interacción de partículas aceleradas con la materia son los limitantes de la resolución última obtenible, en general 25 nanómetros.

¿Qué pasa en tres dimensiones?

Las técnicas que describimos hasta ahora nos permiten hacer de manera más o menos compleja sistemas a nivel nanoscópico básicamente bidimensionales, o sea películas delgadas o superredes depositadas sobre un sustrato y moldeadas lateralmente. ¿Es posible extender estas técnicas para construir estructuras, y quizás máquinas, tridimensionales? Aquí la selectividad química de cierto tipo de ácidos para atacar algunos materiales y no otros nos ayuda. Tomemos una superred como las que describimos anteriormente donde uno de los materiales es silicio y el otro dióxido de silicio (SiO2), ambos muy usuales en la fabricación de microcircuitos integrados. Si la sumergimos en ácido fluorhídrico (HF), observaremos que el SiO2 se disuelve mucho más rápidamente que el silicio por lo que, luego de un tiempo, obtendremos láminas de este último liberadas del sustrato ya que estaban unidas a través del SiO2 disuelto. Si ahora complicamos el procedimiento un poco más y a cada una de las sucesivas capas de silicio y de SiO2 las moldeamos lateralmente por medio de litografía podemos llegar a construir estructuras complejas con soportes, palancas, bisagras, etc., formando sistemas móviles a escalas micrométricas. Este es el procedimiento básico más utilizado para construir micromáquinas.
Estamos entonces en posesión de un arsenal de técnicas y materiales que nos permiten hacer arquitectura a nivel nanoscópico y construir, dentro de algunas limitaciones, nuevos materiales y nuevas estructuras. A partir de este punto es la imaginación la que nos permitirá avanzar y proponer nuevos compuestos, nuevas superredes con nuevas propiedades y nuevas micromáquinas con funciones para resolver los problemas que se nos presenten.

• Julio Guimpel Doctor en Física, Instituto Balseiro. CNEA y Universidad Nacional de Cuyo. Profesor Adjunto, Instituto Balseiro. Investigador CNEA e Investigador Independiente, CONICET. jguimpel@cab.cnea.gov.ar

• Hernán Pastoriza Doctor en Física. Instituto Balseiro. Universidad Nacional de Cuyo. Profesor Adjunto del Instituto Balseiro. Investigador CNEA. Investigador Adjunto. CONICET.
Lecturas sugeridas
BUNSHAS RF (ed), 1994, Handbook of
Deposition Technologies for Films and Coatings, Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey. CHOPRA KL, 1969, Thin Film Phenomena, McGraw-Hill. KASTURI L, ‘Máquinas microscópicas’, Revista Investigación y Ciencia: 230 - Nov. 1995.